CN113162991B - 一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构 - Google Patents

Abstract

一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构，是将计算机体系结构中经典冯诺依曼结构中的输入设备，输出设备，扩展为输入输出设备网络，将存储设备及运算器控制器扩展为存储网络和运算控制网络的结构。该扩展冯诺依曼结构将计算机中的模块单元映射为家庭或企业的各类电子设备，契合了物联网万物互连的概念。这种多层网络的结构突破了家庭及企业生活中设备的物理局限，将分布在不同地理位置的设备进行抽象和虚拟化，让使用者可以使用不同地理位置的设备资源进行自由的***组合.从使用者角度上，整个家庭或者企业中的设备被抽象成为一套具有输入设备，输出设备，存储设备和运算控制设备的计算机***。

Description

一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构

技术领域

本发明属于物联网领域。具体为应用家庭或企业级设备的可重构互连方法，实现设备对用户的抽象化和虚拟化，突破设备的物理限制，实现对家庭或企业中任意位置的设备的可重构连接，并且本发明提出设备的虚拟化提供了一种全新的设备远程控制方式。

背景技术

网络技术的不断发展，ipv6的技术趋于成熟和rfid技术的广泛应用推动了物联网技术的不断地发展。智能家居，智能楼宇，智能办公等技术随着万物互连技术的发展也不断地推进。小米，百度，华为，阿里巴巴等公司都提出了各自的智能解决方案甚至智能生态，越来越多的智能设备出现在了人们的生活中，Wifi技术，zigbee技术，低功耗蓝牙技术是这些智能设备的主要互连手段。然而随着技术的不断发展，输入输出设备，显示设备的传输带宽不断的提高，usb4.0的传输速率为20Gbps，HDMI2.1协议的最高传输速率为48Gbps，DP2.0协议的最高传输速度接近80Gbps。这些设备的高传输速率使得他们难以使用现有无线技术进行互连，而使用有线网络进行这些设备的互连又面临复杂的协议转换及高带宽消耗的问题。

设备远程控制也是物联网技术的重要课题，目前的使用Wifi技术，zigbee技术，低功耗蓝牙技术互连的设备智能提供简单功能控制，例如远程开关，远程调档，远程视频语音等。本发明提出的结构旨在进行更加深层的远程控制甚至是任意设备的远程登录(类似计算机的远程控制)。

关于可重构的显示连接已有的一些解决方案：

1.手机的无线投屏技术。该技术使用wifi作为传输媒介，使用DLNA或者Airplay等技术将手机屏幕显示镜像到支持无线投屏的电视或者“盒子”，该技术受限于无线连接的带宽难以实现2k以上的显示。另外仅具有无线投屏技术的设备才可实现该功能，因此无法适配家庭和企业应用中多样的设备选择。

2.hdmi转无线模块。该技术由hdmi发射模块和hdmi接收模块组成。电脑上连接hdmi发射模块将hdmi信号转换为无线信号，显示器上连接hdmi接收模块将接收的无线信号转换回hdmi信号给显示器的hdmi接口。这种视频传输方案同样受限于无线带宽，难以实现4k显示。并且该方案有传输距离限制，只在一定位置范围内才能可靠的传输视频，并且主要支持点对点通信。该方案对无线信道的使用还会使得家庭的无线通信环境变得较复杂，相互之间以及和其他无线通信可能会相互干扰。

3.hdmi一进多出分配器或多进一出分配器。该结构可以实现显示器对多台显示源的连接或者一个显示源对多台显示器的连接。目前这种结构的主要应用仅是一种集线器的实现，并未实现网络的概念。

关于可重构的输入输出已有的一些解决方案：

1.鼠标和键盘等输入设备的通常使用蓝牙的连接方式，现有的一些实现中输入设备可以选择通过蓝牙选择跟其连接的设备，但是这种连接方式受限于蓝牙通信的距离，并且可选择互连的设备个数有限。

关于设备远程控制已有的一些解决方案：

1.智能管家通过wifi连接网络，通过远程访问智能管家来对智能设备进行有限的调节。首先该使用该方案的必须是智能设备，对非只能设备的控制仅能通过智能开关对设备进行开关。并且不同通常厂家之间的智能管家与智能设备之间的兼容性有所局限。另外目前支持的远程控制功能主要局限于远程开关，远程调档，远程视频语音等。

2.计算机的远程登录。目前主流操作***均支持计算机的局域网内的远程登录，而teamviewer等公司也提供了跨平台的互联网远程登录方案。然而这样的远程登录控制主要局限在计算机***中，且互联网远程登录的隐私性较难得到保障。

发明内容

本发明提出了一种解决上述问题，提出应用于物联网中的扩展风诺依曼结构的多层次网络，对家庭或企业设备进行抽象化，虚拟化并提供更深层的远程控制方案。

本发明的一个方面在于提供一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构；

所述多层网络结构包括输入设备网络，输出设备网络和计算与控制网络，

所述多层网络层次的划分，将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，输入设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，输出设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，设使备之间通信不再受限于常用的共享无线网络，设备间并行传输高清视频及其他高速信息。

优选地，所述多层网络使得家庭或企业中的所有输出设备对用户抽象为一台包含输入设备，输出设备和计算控制设备的冯诺依曼计算机；

所有显示设备抽象为一台显示器，所有输入设备对用户抽象为一套输入设备，所有计算与控制设备对用户抽象为一台主机；多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，设备与交换机之间的连接使用光纤有源线缆连接，使任意设备之间进行高速通信的同时不受限于物理距离。

优选地，多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，交叉开关在使用有源光缆互连时可选择光开关实现，交叉开关仅在物理层进行数据交换，不涉及高层协议解析。

优选地，所述多层网络结构还包括虚拟输入输出设备，虚拟显示器和远程控制代理设备，

远程计算机选择需要远程控制的计算与控制单元，使用虚拟输入输出设备控制计算与控制单元，并将显示输出到虚拟显示器。

优选地，远程控制代理设备通过以太网接收特定网络包格式的控制信息，虚拟输入输出设备解析该控制信息并以输入和输出设备的通信协议发送到输入输出设备网络完成远程输入，交叉开关配置中选择虚拟输入输出设备与被控计算与控制单元连接。

优选地，交叉开关配置中选择被选中的计算与控制单元与虚拟显示连接，虚拟显示器接收被控计算与控制单元发到显示网络的显示数据并将其转化为特定格式的网络数据包，该网络数据包由远程控制代理设备传回给远程控制计算机，完成远程显示。

本发明的另一个方面在于提供一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构，其特征在于，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构；

所述多层网络结构包括外设网络，计算与控制网络和显示网络，其中外设网络包括传感器网络，输入设备网络，输出设备网络和存储网络；

所述多层网络层次的划分,将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，输入设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，输出设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接。

计算机与控制网络层与显示网络层之间，可并行的传输高清视频(4K，8K)，当显示设备个数为n，计算机与控制设备个数为m，输出8k60hz视频时，最高传输带宽高达48*m*nGbps。类似的计算机与外设网络之间也可实现高带宽并行通信。

优选地，多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，交叉开关在使用有源光缆互连时可选择光开关实现。交叉开关仅需要在物理层进行数据交换，不涉及高层协议解析。

优选地，在显示设备接口和外设接口均使用usb或者thunderbolt接口时，交换机及有源光缆设备的接口都统一起来，如此该多层网络的实现可使用统一接口，对家庭和企业中多层网络布局和设备接口布局提供了方便。

优选地，在使用智能管家的智能***中，由于所有设备对用户抽象为一台主机(一个智能管家)，该方案实现了所有企业或家庭设备对用户的简单的人机交互接口；

智能管家从传感网络，输入设备网络获取用户的指令(音频，手势等)，通过存储设备网络或者通过以太网络获取所需信息后，通过输出设备网络或者显示网络反馈信息给用户，在使用本发明中的多层网络结构的***时，这些设备可智能的选择就近用户的设备，从而实现随时随地的拟人化的人机交互接口。

本发明多层网络可实现任意输入设备，任意运算控制单元和任意输出设备的互连。组合后的结构对用户抽象为具有输入设备，输出设备和运算控制单元的计算机。

由于采用交叉开关结构，多层网络可实现多套任意输入设备，任意运算控制单元和任意输出设备的互连，对多个用户的访问提供并行支持。

本发明多层网络结构的设备抽象，使得在任意位置可对任意设备进行访问，突破了设备使用的地理位置限制。

本发明多层网络结构中将不同设备划分为不同网络，输入输出设备的通信仅局限在输入设备网络和输出设备网络，显示通信数据仅局限在显示网络中，相比于使用无线网络的输入输出控制和显示投屏可提供较大的带宽，且带宽可随网络规模进行扩展。

本发明在使用智能管家的智能***中，由于智能管家从任意音视频采集单元获取用户指令，可以从任意传感器设备获取家庭或者企业环境信息，可以通过以太网获取用户需求信息，然后智能管家自动选择离用户最近的显示器和最近的音频设备与用户进行交互，实现随时随地拟人化的人机接口。

本发明中多层网络间的接口使用交叉开关的物理交换形式实现，这样多用户同时使用，在多用户使用不同的设备组合时不会出现带宽限制。以显示网络为例，若显示网络的端口数N，则显示网络的最大带宽可达到N*单个显示器最大数据带宽。对比受限于无线网络带宽的无线投屏方案有较明显的优势。

本发明的一个具体实现中，使用统一的智能管家作为计算与控制单元与显示网络，输入网络，输出网络和传感器网络连接组成***如图12。该实现利用多层网络结构的优势，使得智能管家在家庭或者企业中任意有显示器的位置都能向用户显示相应的信息。而输入网络中的语音采集***可使得客户在任意位置与智能管家交谈，传感器网络可汇总家庭或企业环境信息交给智能管家处理。这样真实的实现了抽象的智能管家在任何位置与用户交互，并返回相应数据，显示相应的信息。对比目前大部分的每个房间一个智能管家的实现方式，该实现方式更为灵活和友好。

本发明提出了多层网络的家庭或企业设备互连结构，按照设备属性及原有接口协议进行物理层的交叉互连，从而实现家庭设备的灵活互连。对于用户而言甚至可以把家庭的所有设备抽象为一台类冯诺依曼结构的计算机，使用哪个设备做运算控制单元，哪个作为输入设备，哪个作为输出设备可以灵活配置。

本发明提出的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构将目前智能家居主流的无线互连的扁平化连接方式扩展为按设备特性分类连接的多层次网络，突破了无线网络连接的带宽限制。其中显示网络能够可重构的在***示源设备和***示设备间传输4k以上甚至8k的显示信息。该显示网络可选择使用铜线连接或者有源光纤互连的方式连接，最大覆盖范围可实现对半径300米范围内的设备进行互连，突破了设备使用的地理限制。而多层网络中使用的输入输出外设网络同样可选择铜线连接或者有源光纤互连的方式连接，能够实现大范围的输入输出设备与运算控制设备之间的连接。并且由于使用了网络交叉互连的拓扑结构，大大扩展了输入输出设备与运算控制设备之间连接组合的自由度，能够实现使用任意的输入输出设备与任意的运算控制设备进行数据通信。另外，本发明中提出的设备抽象化和虚拟化方案使提供了一种全新的设备远程控制的方法，用户只需要远程登录外网接口，使用虚拟输入输出设备连接运算控制网络中的任一设备，并且运算控制网络中设备的显示输出传输给虚拟的显示设备从而在远程监控显示内容。

附图说明

图1是经典冯诺依曼结构的计算机体系结构。

图2是现有的设备互连的主要拓扑结构。

图3是将冯诺依曼结构对设备进行扩展的分层网络结构1。

图4是多层网络结构1的具体拓扑结构实例。

图5是将冯诺依曼结构对设备进行扩展的分层网络结构2。

图6是分层网络结构2的具体拓扑结构实例。

图7是显示网络的具体结构。

图8是外设网络的具体结构。

图9是基于多层网络结构的远程控制方案。

图10是交叉开关实现具体结构。

图11是多层网络结构的具体实施1。

图12是多层网络结构的具体实施2。

图13是显示网络的覆盖范围与连接方式的选择。

图14是多层网络的设备抽象。

图15是输入输出网络的覆盖范围与连接方式的选择。

图16是全usb接口多层网络覆盖范围与连接方式的选择。

具体实施方式

本发明提出的多层次架构由扩展了图1所示的经典冯诺依曼结构。如图1，经典冯诺依曼结构主要包含运算器，控制器，存储设备，输入设备和输出设备，该结构广泛的应用在计算机体系结构中。图2所示为目前常见的设备互连的拓扑结构，这种拓扑中输入及输出设备仅仅与本地设备互连，而运算机控制设备之间以局域网的方式进行互连，该扁平的互连结构使得设备与设备之间只能进行有限程度的以太网互连，各计算与控制设备之间各自为政，给用户提供的接口零散且物理位置分离。本发明将经典冯诺依曼结构推广到智能家庭，智能企业等更为宏观的应用中。

图3所示的多层网络结构1是经典冯诺依曼结构的一种扩展，将家庭和企业中的所有输入设备抽象成为输入设备池或者输入设备网络，将输出设备抽象成为输出设备池或网络。本发明提供一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构；多层网络结构包括输入设备网络，输出设备网络和计算与控制网络。多层网络之间使用交叉开关结构进行物理交换通信，交叉开关结构中任意输入端口可通过配置到达任意输出端口。

多层网络层次的划分，将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，输入设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，输出设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，设使备之间通信不再受限于常用的共享无线网络，设备间并行传输高清视频及其他高速信息。

多层网络使得家庭或企业中的所有输出设备对用户抽象为一台包含输入设备，输出设备和计算控制设备的冯诺依曼计算机。

所有显示设备抽象为一台显示器，所有输入设备对用户抽象为一套输入设备，所有计算与控制设备对用户抽象为一台主机；多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，而设备与交换机之间的连接使用光纤有源线缆连接，使得任意设备之间进行高速通信的同时不受限于物理距离。

宏观应用的计算与控制单元通常集成在同一设备中，图2中将所有计算与控制设备抽象为计算与控制网络。图4提供了多层网络结构1的一种具体连接拓扑实例。图4中输入设备包括家庭及企业中常见的鼠标，键盘，数码照相及摄像机，扫描仪，游戏手柄，遥控器等设备，运算控制单元包括台式电脑，平板电脑，电视盒子，机顶盒，手机等设备。输出设备主要包括显示器，电视，打印机等。该拓扑结构中按照设备属性的不同使用了不通的连接方式，例如图4中输入设备连接输入设备交换机，该交换机仅进行物理层的交叉互连接，即进行任意输入端口到任意输出端口的可控互连。上述交换机输出与运算控制设备的常见输入端口连接(例如usb，thunderbolt接口)，在不同的输入交换机配置状态下该结构可以实现任意输入设备到任意运算机控制设备的互连。

交叉开关使用多进一设备和一分多设备进行组合搭建，或者通过集成或者分立的微波开关阵列实现，或者在使用有源光缆互连时可选择光开关实现。交叉开关结构与设备之间的连接可使用铜线连接或者使用有源光缆连接，在连接距离在几米范围时选择铜线连接，在连接距离在几百米时选择有源线缆连接。有源线缆为对应协议的有源线缆，包括显示网络中用hdmi有源线缆，displayport有源线缆或者usb typec有源线缆，外设网络中用usbtypec有源线缆。输入设备网络、输出设备网络的通信协议包括usb协议，I2C，SPI，CAN，thunderbolt外设总线。

类似的图4中运算控制单元通过交换机与输出设备进行物理层交叉互连，从而实现任意运算控制单元到任意输出设备的可控互连。运算控制单元之间的互连仍保持现有的有线或者无线的局域网互连方式，并且在该层次提供了外网的访问接口。图4中多层次网络结构将经典冯诺依曼结构的输入，输出设备推广为输入设备网络和输出设备网络，将运算控制单元推广为计算与控制网络，相比于图2中的扁平的互连方式，提供了设备的抽象，因而提供了输入设备，运算控制单元，输出设备的无关设备地理位置的任意组合。同时这样的多层网络中输入的数据流局限于输入网络，输出的数据流局限于输出网络，并不占用运算控制网卡中的局域网的带宽。因此该多层网络结构对比现有的无线投屏等方案有不局限于无线网带宽的优势，在不同的组合下可以并行的对多个显示器进行4k，8k分辨率的显示传输而不对无线网络带宽造成任何消耗。

输出设备中显示设备可使用hdmi，displayport，vga，dvi等常见显示数据传输协议，输出设备网络可包含显示器，电视机，投影仪，打印机，音频输出设备等常见输出设备。多层网络中可以使用统一接口，例如统一使用usb接口(usb typeC接口和usb4协议提出了对displayport视频传输的支持)。

在图3所示多层网络的基础上，图5中的分层网络结构2是对图3中的多层网络结构1进一步重构。本发明一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构。

多层网络结构包括外设网络，计算与控制网络和显示网络，其中外设网络包括传感器网络，输入设备网络，输出设备网络和存储网络。

所述多层网络层次的划分,将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，输入设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，输出设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接。

计算机与控制网络层与显示网络层之间，可并行的传输高清视频(4K，8K)，当显示设备个数为n，计算机与控制设备个数为m，输出8k60hz视频时，最高传输带宽高达48*m*nGbps。类似的计算机与外设网络之间也可实现高带宽并行通信。多层网络采用交叉开关结构，实现任意外设、任意计算与控制单元和***示设备的互连，对多个用户的访问提供并行支持。

多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，交叉开关在使用有源光缆互连时可选择光开关实现。交叉开关仅需要在物理层进行数据交换，不涉及高层协议解析。

与计算机体系结构不同，宏观世界中输入设备与输出设备的定义较为模糊，移动硬盘等外设即是输入设备也是输出设备，另外显示设备区别于其他的输出设备有较大的传输带宽需求，且通常使用DVI，VGA，HDMI，Displayport等特殊传输接口。

基于这些特点图5所示的多层网络结构2将网络划分为外设网络，计算与控制网络和显示网络。外设网络又可细分为输入设备网络，输出设备网络，存储设备网络和传感器网络。

图6所示为多层网络结构2的具体拓扑实例，输入输出设备通过输入输出设备的交换机与运算和控制单元进行物理层交换，图8所示结构中，任意输入设备通过交换机可以与任意计算与控制单元连接。同样的，图6中运算和控制单元通过交换机与显示器进行物理层交换。

交叉开关使用多进一设备和一分多设备进行组合搭建，或者通过集成或者分立的微波开关阵列实现，或者在使用有源光缆互连时可选择光开关实现。

交叉开关结构与设备之间的连接可使用铜线连接或者使用有源光缆连接，在连接距离在几米范围时选择铜线连接，在连接距离在几百米时选择有源线缆连接。有源线缆为对应协议的有源线缆，包括显示网络中用hdmi有源线缆，displayport有源线缆或者usbtypec有源线缆，外设网络中用usb typec有源线缆。

图6中多层网络结构2的优点在于外设网络的设备使用的主流接口都是usb接口，而显示网络中使用的主流接口为hdmi和displayport接口，各层网络内协议的统一性可简化交换机及网络的实现。

在显示设备接口和外设接口均使用usb或者thunderbolt接口时，交换机及有源光缆设备的接口都统一起来，如此该多层网络的实现可使用统一接口，对家庭和企业中多层网络布局和设备接口布局提供了方便。

本发明中的输入输出设备包括常用的输入输出设备，比如键盘，鼠标，音频接收设备，音频播放设备，摄像头，扫描仪，打印机，移动硬盘等

本发明中的计算与控制单元包括台式计算机，移动计算机，移动平板，手机，电视机顶盒，电视盒子，智能管家设备，游戏机等设备。

本发明中的显示单元主要包括显示器，电视，投影仪等。

本发明中的传感器网络可包含温度传感器，湿度传感器，距离传感器，烟雾传感器等常见传感器设备。

本发明中的存储网络主要包含u盘，移动硬盘等常见存储设备。外设网络通常使用usb作为主要通信协议，但是不仅局限于usb协议，也可以使用I2C，SPI，CAN等其他常用外设总线。显示设备可使用hdmi，displayport，vga，dvi等常见显示数据传输协议本发明提出的基于多层网络的远程控制方案的具体结构如图9所示，在图8所示的多层网络结构2的拓扑结构中增加了远程控制代理设备1接入到计算与控制网络中，并且该单元与外网连接。根据本发明多层网络结构还包括虚拟输入输出设备，虚拟显示器和远程控制代理设备，图9中增加了虚拟输入输出设备和虚拟显示器，虚拟输入输出单元与远程控制代理设备1直接连接，或者可以物理实现在远程控制代理设备1内部，该虚拟输入输出单元将远程控制代理设备接收到的特殊以太网请求转换为输入输出请求(例如usb通信)发送到输入输出网络中，从而模拟出一个输入输出设备。

远程计算机选择需要远程控制的计算与控制单元，使用虚拟输入输出设备控制计算与控制单元，并将显示输出到虚拟显示器。

远程控制代理设备通过以太网接收特定网络包格式的控制信息，虚拟输入输出设备解析该控制信息，并以输入和输出设备的通信协议发送到输入输出设备网络完成远程输入，交叉开关配置中选择虚拟输入输出设备与被控计算与控制单元连接。

交叉开关配置中选择被选中的计算与控制单元与虚拟显示连接，虚拟显示器接收被控计算与控制单元发到显示网络的显示数据并将其转化为特定格式的网络数据包，该网络数据包由远程控制代理设备传回给远程控制计算机，完成远程显示。

图9中增加的虚拟的显示设备与远程控制代理设备1直接连接或者实现于其内部，从显示网络获得的显示信息被虚拟显示器转换为特殊以太网包发送通过远程控制代理设备1发送给外网远程控制访问端。

如图9所示，通过配置可实现远程控制计算与控制单元2，使用虚拟输入输出设备对计算与控制单元2进行输入输出，将计算与控制单元2的显示信息通过虚拟显示设备1和远程控制代理设备1发送给远程登录计算机。同理的通过配置可实现对任意计算与控制单元的远程控制。对于远程控制端用户而言，被远程访问的设备被抽象为一台简单的计算机。该远程控制不依赖于如teamviewer等第三方的远程控制服务，并且可通过远程控制代理设备中添加登录权限设置保证访问的安全性。

本发明中提供的远程登录方式提供深入的设备控制，例如可远程模拟遥控器控制电视机，远程登录任意设备进行复杂的键盘或鼠标控制，远程登录设备拷贝或存储需要的数据信息，远程控制任意视频监控设备传输视频。相比目前智能家居的简单开关，调档和特定设备音视频传输的功能，该远程控制方式控制程度更加深入。

本发明提供的远程控制方案对于被控设备无具体接口的要求。现有的设备远程控制通常需要设备具有蓝牙或者无线接口，对于没有这些接口的设备需要使用额外的蓝牙或者无线开关实现设备的开关。本发明中的多层网络结构保留了对设备原有输入输出接口和显示接口的支持，对于一些不支持蓝牙或者无线的设备有较好的支持。

本发明中设备与交换机的连接方式可选使用铜线连接和有源光缆连接，如图13外设网络与外设交换机间，外设交换机和计算与控制网络间可使用usb铜线连接或者usb有源光缆连接，前者主要使用于传输距离数米的应用，而后者可覆盖的地理范围可达到300～400米半径。如图11所示计算与控制单元和显示网络交换机之间，显示网络交换机与显示网络之间可使用hdmi铜线/displayport铜线或者hdmi有源光缆/displayport有源光缆。前者主要使用于传输距离数米的应用，而后者可覆盖的地理范围可达到300～400米半径。对于家庭和企业应用，有源光缆的方案由于覆盖距离远，信号质量好，布线灵活等优点具有更好的应用前景。

本发明中对于输入输出使用的协议不局限于usb协议，对于所有的输入输出协议如uart，SPI，I2C，GPIB等均适用。对于usb协议，本发明对于输入输出的应用可使用typeA，TypeB，TypeC和所有usb的接口形式。

本发明对于显示网络使用的协议不局限于HDMI和Displayport协议，可支持VGA，DVI等所有常用的显示协议。

由于usb typeC协议中提出了dp-altmode的概念，可以使用typeC的usb接口进行视频信号的传输。而最新的usb4协议中提出了在usb4的物理层基础上进行display port协议的隧道协议，从而可以实现在usb4的物理连接基础上实现displayport显示信号的传输，故本发明中的多层网络中的显示网络也可采用usb typeC的接口。因而在这样的应用中多层网络的主要接口可统一为usb接口，如图15所示，该结构中可选择使用usb铜线连接或者usb有源光缆连接，前者主要使用于传输距离数米的应用，而后者可覆盖的地理范围可达到300～400米半径。

本发明中多层网络中交叉开关的基本结构如图10所示，可选用通过现有的多选1和1分多的设备进行组合，可选用微波开关组成开关阵列实现，或者在使用有源光缆时使用光开关来进行多路选择。

本发明中提出的多层网络结构实现了设备的抽象，如图14所示，多层网络结构在提供选择任意输入设备，任意输出设备，任意计算与控制单元，***示设备的选择自由度的同时，给用户的接口是一个简单的抽象计算机，人机接口简单。

在一个具体实施例1中，如图11所示，电视，显示器，投影仪等显示设备分布于家庭的各个房间中，显示设备通过有源HDMI光缆或者有源DP光缆与设备间中的显示设备交换机连接。同样分布于不同物理位置的台式主机，电视盒子，蓝光播放器，游戏机等设备通过有源HDMI光缆或者有源DP光缆与设备间中的显示设备交换机连接。分布于不同物理位置的键盘，鼠标，遥控器，游戏手柄等设备通过usb有源光缆与设备间中的输入输出设备交换机连接。台式主机，电视盒子，蓝光播放器，游戏机等设备通过有源usb光缆与设备间中的输入输出设备交换机连接。以这样的连接方式构建了多层网络结构，可实现任意输入输出设备，任意计算与控制单元和***示器的互连。例如可以在不搬动游戏主机的情况下在客厅使用游戏手柄和电视机进行游戏。又例如在用户位置需要发生移动的时候，把原本观看的电视内容路由到移动后的显示器附近继续观看。如图14所示，对用户而言看到的设备始终是一台抽象的计算机，而该抽象设备的输入输出设备，显示设备和运算控制单元可以在家庭或者企业的设备池中进行任意映射。

在另一个具体实施例2中，如图12所示，计算与控制单元为智能管家设备，在使用智能管家的智能***中，由于所有设备对用户抽象为一台主机(一个智能管家)，该方案实现了所有企业或家庭设备对用户的简单的人机交互接口；

智能管家从传感网络，输入设备网络获取用户的指令(音频，手势等)，通过存储设备网络或者通过以太网络获取所需信息后，通过输出设备网络或者显示网络反馈信息给用户，在使用本发明中的多层网络结构的***时，这些设备可智能的选择就近用户的设备，从而实现随时随地的拟人化的人机交互接口。

智能管家设备与设备间中的显示设备交换机使用有源HDMI光缆或者有源DP光缆连接。分布在家庭或者企业中不同物理位置的电视，显示器，投影仪等显示设备通过有源HDMI光缆或者有源DP光缆与设备间中的显示设备交换机连接，他们与智能管家设备组成显示网络。智能管家设备与设备间中的外设设备交换机使用有源usb光缆连接。位于家庭或者企业中不同位置的音频采集设备和视频采集设备和音频输出设备作为主要的输入输出设备通过有源usb光缆与设备间中的外设设备交换机。他们和智能管家组成输入输出网络。位于不同地理位置的温度湿度传感器，距离传感器，烟雾传感器等传感器通过zigbee网络与传感信息汇总主机连接，传感信息汇总主机通过有源usb光缆与设备间中的外设设备交换机连接。他们与智能管家组成传感器网络。智能管家自动获取音视频采集设备的音视频信息来获取用户的指令，然后采集传感器网络信息进行处理或通过以太网访问用户需要的信息，将信息加工后自动选择靠近用户的显示器进行显示，并在客户就近的音频输出语言信息。这样用户与智能管家不局限于物理位置的随时随地的交互，真正实现与智能管家的随时随地的拟人化通信接口。

在另一个具体实施例3中，如图9所示。在实施例1或者实施例2中增加了虚拟输入设备，虚拟显示器和远程控制代理设备1.具体的虚拟输入设备是可以根据远程控制代理设备1指在usb接口上输出鼠标和键盘通信包的硬件设备。该虚拟输入设备接入到实施例1或者实施例2中的输入网络。虚拟显示器是一个具有edid信息且可接受实施例1或者实施例2中显示网络的显示数据并将其转换为特定格式的以太网包的硬件设备。远程控制代理设备1解析特定以太网包控制虚拟输入设备发出键盘和鼠标通信，并且把虚拟显示器发来的显示数据包通过以太网发送给远程计算机。在多层网络连接配置中选择图9中的连接方式，虚拟输入设备1作为输入，远程控制代理设备1作为主机，虚拟显示设备1作为显示器即可实现远程计算机通过远程访问完全控制远程控制代理设备1。该远程控制方案可不通过teamviewer等第三方的远程控制服务器实现远程控制，可实现复杂的控制组合，且由于该远程控制方法无需经过第三方服务器的转发和复杂的上层协议转换可实现较高带宽的远程控制。

在另一个具体实施例4中，如图16所示，多层网络结构中的全部接口均适用usb接口，实现多层网络的接口统一化。

受益于前述描述和相关联的附图中呈现的教导，本领域的技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，将理解到，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在被包括在随附的权利要求的范围内。还应理解到，在缺少在本文中未特别地公开的元件/步骤的情况下，可以实践本发明的其他实施例。

Claims (10)

1.一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构***，其特征在于，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构；

所述多层网络结构包括输入设备网络层，输出设备网络层和计算与控制网络层，

所述多层网络结构的划分，将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，输入设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，输出设备网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，使设备之间通信不再受限于常用的共享无线网络，设备间并行传输高清视频及其他高速信息。

2.根据权利要求1所述的多层网络结构***，其特征在于，所述多层网络使得家庭或企业中的所有输出设备对用户抽象为一台包含输入设备，输出设备和计算控制设备的冯诺依曼计算机；

所有显示设备抽象为一台显示器，所有输入设备对用户抽象为一套输入设备,所有计算与控制设备对用户抽象为一台主机；多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，设备与交换机之间的连接使用光纤有源线缆连接，使任意设备之间进行高速通信的同时不受限于物理距离。

3.根据权利要求1所述的多层网络结构***，其特征在于，多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，交叉开关在使用有源光缆互连时可选择光开关实现，交叉开关仅在物理层进行数据交换，不涉及高层协议解析。

4.根据权利要求1所述的多层网络结构***，其特征在于，所述多层网络结构还包括虚拟输入输出设备，虚拟显示器和远程控制代理设备，

远程计算机选择需要远程控制的计算与控制单元，使用虚拟输入输出设备控制计算与控制单元，并将显示输出到虚拟显示器。

5.根据权利要求4所述的多层网络结构***，其特征在于，远程控制代理设备通过以太网接收特定网络包格式的控制信息，虚拟输入输出设备解析该控制信息并以输入和输出设备的通信协议发送到输入输出设备网络层完成远程输入，交叉开关配置中选择虚拟输入输出设备与被控计算与控制单元连接。

6.根据权利要求5所述的多层网络结构***，其特征在于，交叉开关配置中选择被选中的计算与控制单元与虚拟显示连接，虚拟显示器接收被控计算与控制单元发到显示网络层的显示数据并将其转化为特定格式的网络数据包，该网络数据包由远程控制代理设备传回给远程控制计算机，完成远程显示。

7.一种应用于物联网中的扩展冯诺依曼结构的多层网络结构***，其特征在于，将家庭或企业设备根据设备属性和通信类型划分为多层网络结构；

所述多层网络结构包括外设网络层，计算与控制网络层和显示网络层，其中外设网络层包括传感器网络层，输入设备网络层，输出设备网络层和存储网络层；

所述多层网络结构的划分，将设备通信限制于相邻层间，设备间通信不共享通信带宽，外设网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接，显示网络层通过交叉开关与计算与控制网络层连接；

计算机与控制网络层与显示网络层之间，可并行的传输高清视频，当显示设备个数为n，计算机与控制设备个数为m，输出8k60hz视频时，最高传输带宽高达48*m*nGbps；计算机与控制网络层与外设网络层之间能够实现高带宽并行通信。

8.根据权利要求7所述的多层网络结构***，其特征在于，多层网络层与层之间使用交叉开关结构进行物理通信交换，交叉开关在使用有源光缆互连时可选择光开关实现，交叉开关仅在物理层进行数据交换。

9.根据权利要求7所述的多层网络结构***，其特征在于，在显示设备接口和外设接口均使用usb或者thunderbolt接口时，交换机及有源光缆设备的接口都统一起来，使多层网络的实现使用统一接口。

10.根据权利要求7所述的多层网络结构***，其特征在于，计算与控制单元为智能管家设备，所有设备对用户抽象为一台主机，实现了所有企业或家庭设备对用户的简单的人机交互接口；

智能管家从传感网络层，输入设备网络层获取用户的指令，通过存储网络层或者通过以太网络获取所需信息后，通过输出设备网络层或者显示网络层反馈信息给用户。

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